工業以太網交換機環網冗余的實現

文/孟飛

工業以太網它的成本低，效率高，方便安裝且功耗較低吸引了越來越多的廠商。控制系統和自動化系統通常使用的該技術來完成任務。核電力的實際應用在許多領域，電力和運輸是一個復雜的工業，控制環境變化使用戶對以太網的可靠性的要求也越來越高。為了保證整個通信系統的網絡系統不受干擾通信系統的影響，或產生其他通信或通信系統癱瘓的問題，以太網冗余技術被廣泛采用來提高容錯率。

1 工業以太網技術

以太網具有通信速率高、兼容性好、互聯擴展性好、功耗低、安裝方便等優點。所謂的工業以太網是什么？其實就是在工業上廣泛應用的一種技術，與其他以太網的技術都是類似的。因此，工業以太網技術繼承了以太網技術的優勢，與傳統的現場總線相比較具有很多優點。主要的有點體現在下面幾個方面：

（1）以太網在計算機網絡技術中的應用中最為廣泛，它得到了廣泛的技術支持。以太網最典型的應用形式是以太網+TCP/IP+Web。常用的編程語言，如Java、Visual C++和Visual Basic，都支持以太網的應用開發，這些編程語言特別受歡迎，軟件開發人員都喜歡應用這些編程語言，開發前景一片良好。工業控制領域采用以太網通信，可以選擇更多的開發工具，開發環境。

（2）由于商用以太網的廣泛應用，主要的通信設備開發商和制造商致力于以太網交換機的開發和生產，這使得工業以太網交換機更便宜。因為他應用的廣泛，硬件價格很低，現在以太網網卡它的價格在現場總線價格的十分之一左右，而且隨著集成電路技術的快速發展，其價格還會更低。

（3）目前，該技術比較成熟，廣泛使用的以太網通信速率為10M、100M和1000M。這比任何當前的現場總線都快。因此，以太網能夠滿足工業控制對帶寬不斷增長的要求。

（4）基于TCP/IP協議模型的以太網是完全開放的。因此，信息網絡與控制網絡可以實現無縫集成。因此，嵌入式控制器、智能現場測控儀器和傳感器可以方便地連接到現場控制網絡，甚至管理網絡。

2 環網冗余技術

以太網環網是環網冗余最為簡單的拓撲結構。任何網絡節點都有一個交換機和兩個相鄰的節點。如果其中一個端口被設置成了默認阻止，那么我們可以認為交換機此時工作正常，用來防止以太網的數據幀轉發，并且保證它在物理上是一個循環，不論它有沒有邏輯循環。所以，一般主交換機有兩個端口，同時也存在兩個檢測問題的辦法。首先端口為主端口和輔助端口，檢測方法為故障報警以及循環檢測，主端口包括環路上其他設備的端口，輔助端口為擁塞端口一般只存在一個，而檢測主要是為了保證環網的連通性，以防發生問題。

（1）主設備節點首先要轉發端口，其次發送循環檢測，所謂循環檢測就是按照規定時間發送檢測幀，它的功能為檢測環網的問題，當它正常工作時主設備節點的下級端口就會接收環網一周左右的檢測幀，但是在規定時間中沒有接收到檢測幀，主設備節點會快速的打開阻塞端口。以此保證它在邏輯上的線性結構，緊接著主設備節點要進行的是清空交換機中的轉發表（FDB表），清空之后會發送數據包，然后剩下的節點都會跟從主設備節點清空FDB表。這樣的話所有交換機就會學習新的網絡拓撲。交換機的接口出現問題時就會向主設備節點報警，以此來打開擁塞控制，然后清空FDB表，一般的環網交換機都存在兩個接口，任意一個發生問題都會報警。在最后主節點將數據包發送到環上的每一個節點，節點接到指示后清空FDB表并學習全新的拓撲結構。

（2）環網冗余切換機制在環網出現問題的情況下，主要的設備實現節點定期發送測試幀在主端口，如果環網故障恢復，那么下一個測試幀就會準時接收端口，然后主節點就會恢復正常，從時間端口就會擁塞控制包，更新FDB表，給傳輸節點發送控制消息，傳輸節點接收指示，根據指示內容也會更新FDB表，并學習新的網絡拓撲。

3 以太網中環網冗余的具體實現

之所以快速環網會被研究出來，主要是為了方便用戶發現環網中存在的問題，以方便及時的修復，以免造成更大的損失。這個技術是美國知名的控制公司研究實現的，它的工作原理主要如下：當環網出現斷鏈的問題時，就可以在交換機上報警，用戶就會收到報警的消息，從而及時的處理問題，該項技術的優點就是，可以快速的修復環網在網絡上的故障，也是以此來減少因故障帶來的損失。

快速環網技術使用過程中時，我們可以形成一個簡單地環網，首先在眾多交換機當中設置一個主交換機，其次把每一個交換機的兩個端口相互連接，還需要把每個交換機都設置成快速環網，這樣連接的兩個端口就可以保持正常運行。

在主交換機的網絡中會存在備用端口，所謂備用端口就是在緊急情況下可以進行網絡修復的。網絡在正常運行時，備用端口進入休眠狀態，不會影響每個交換機之間的相互工作，如果備用端口被激活。那么就證明線纜連接中出現了問題，備用端口就會發揮它的作用，保證環網工作的正常進行，指導主交換機發起報警，出現的問題被修復之后，備用端口就會再次進入休眠狀態。而且快速環網還可以支持雙環網的連接，在每一個方面都會擁有更大的靈活性。

4 總結

隨著工業以太網技術在工業控制領域的廣泛應用，其可靠性越來越受到重視。保證工業以太網可靠性的方法是利用設備冗余為以太網中的交換設備和鏈路提供冗余保護。